(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各粒子が互いに接合されていない銅系粉末及び鉄系粉末を含む混合金属粉末を圧縮成形した圧粉体を焼結して得られる銅鉄系の焼結金属からなり、内周面にラジアル軸受面が形成され、該ラジアル軸受面に鉄系粉末が露出した焼結軸受であって、
銅系粉末として、直径４５μｍ以下の粒子を重量比で８０％以上含むものを用い、鉄の比率を重量比で６０％以上とし、通油度を１．００ｇ／１０ｍｉｎ以下とした焼結軸受。
【請求項２】
焼結密度が６．９ｇ／ｃｍ3以下である請求項１の焼結軸受。
【請求項３】
含油率が１０％以上である請求項２の焼結軸受。
【請求項４】
焼結温度が銅の融点以下である請求項１〜３何れかの焼結軸受。
【請求項５】
焼結温度が８５０℃〜１０００℃の範囲である請求項４の焼結軸受。
【請求項６】
ラジアル軸受面に、ラジアル動圧発生部が形成された請求項１〜５何れかの焼結軸受。
【請求項７】
端面にスラスト軸受面を有し、このスラスト軸受面にスラスト動圧発生部が形成された請求項６の焼結軸受。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の焼結軸受と、前記焼結軸受の内周に挿入された軸部材と、前記焼結軸受の内周面と前記軸部材の外周面との間の油膜に生じる動圧作用により、前記軸部材を回転自在に非接触支持するラジアル軸受部とを備えた流体動圧軸受装置。
【請求項９】
各粒子が互いに接合されていない銅系粉末及び鉄系粉末を含む混合金属粉末を圧縮成形して圧粉体を成形する工程と、前記圧粉体を焼結して銅鉄系の焼結金属を得る工程とを経て、内周面にラジアル軸受面が形成され、該ラジアル軸受面に鉄系粉末が露出した焼結軸受を製造するための方法であって、
銅系粉末として、直径４５μｍ以下の粒子を重量比で８０％以上含むものを用い、混合金属粉末における鉄系粉末の比率を重量比で６０％以上とし、焼結軸受の通油度を１．００ｇ／１０ｍｉｎ以下とした焼結軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結軸受に関し、特に、銅鉄系の焼結軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結軸受は、内部空孔に潤滑油を含浸させて使用され、支持すべき軸との相対回転に伴い内部に含浸された潤滑油が軸との摺動部に滲み出して油膜を形成し、この油膜を介して軸を回転支持するものである。このような焼結軸受は、その高回転精度および静粛性から、情報機器用のモータスピンドル等に組み込まれる流体動圧軸受用として好ましく利用されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２７９３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
焼結軸受には、銅を主成分とした銅系、鉄を主成分とした鉄系、銅及び鉄を主成分とした銅鉄系などがある。
【０００５】
銅系の焼結軸受は、主成分である銅が比較的柔らかいため、圧縮成形によって変形しやすい。このため、焼結軸受の内部気孔がつぶれやすく、その結果、通油度（焼結軸受の内径側から外径側に一定の圧力を負荷して油を貫通させた場合の油の通りやすさ）が低くなる。通油度が低いと、軸受隙間の潤滑油の圧力が焼結軸受の内部に逃げにくくなるため、油膜の圧力が高まりやすくなり、優れた支持力が得られる。しかし、銅が柔らかいため、耐摩耗性に劣り、特に、モータ等の起動停止時における回転軸との接触により軸受面が早期に摩耗しやすい。
【０００６】
一方、鉄系の焼結軸受は、主成分である鉄が比較的硬いため、軸受面の耐摩耗性に優れている。しかし、鉄は圧縮成形によって変形しにくいため、焼結軸受の内部気孔がつぶれにくく、通油度が高くなる。このため、モータ等の定常回転時において、軸受隙間の潤滑油が焼結軸受の内部に逃げて良好な油膜が形成されにくくなり、軸受面と軸とが接触して軸受面の早期の摩耗や異音の発生などの不具合を招く。
【０００７】
銅鉄系の焼結軸受は、銅系及び鉄系の双方の特性を併せ持つことができる。この場合、銅の比率を増やすと、通油度が低下するというメリットが得られる反面、耐摩耗性が低下するという不具合が生じる。一方、鉄の比率を増やすと、耐摩耗性が向上するというメリットが得られる反面、通油度が高くなるという不具合が生じる。
【０００８】
例えば、焼結金属の密度を高めれば内部気孔が減じられるため、通油度を低くすることができる。しかし、焼結金属の内部気孔が潰されると、焼結金属の内部に含浸される油量が低減するため、油の劣化が激しくなり、焼結軸受の短寿命化を招くことが懸念される。
【０００９】
以上のように、銅鉄系の焼結軸受において、高耐摩耗性と低通油度（高油膜形成性）とを両立させることは非常に難しく、このために、銅及び鉄の比率や焼結密度、あるいは焼結温度等の条件が著しく制限され、設計の自由度が非常に狭くなっているのが実情である。
【００１０】
本発明が解決すべき課題は、銅鉄系の焼結軸受において、高耐摩耗性と低通油度との両立を容易化し、設計の自由度を広げることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、銅粉末Ａを用いた銅鉄系の焼結軸受（従来品）と、銅粉末Ｂを用いた銅鉄系の焼結軸受（本発明品）の通油度等を調べた。表１に示すように、銅粉末Ｂは、銅粉末Ａと比べて、直径が４５μｍ以下の微細な粒子の比率が高い。尚、銅粉末Ｂは、３つのロットで粒径を測定した。また、各粉末の比率は重量比で表している。
【００１２】
【表１】
0005619550.tif 000002
【００１３】
図１に、焼結密度が６．９ｇ／ｃｍ3の焼結軸受における銅の比率（重量比）と通油度との関係を示す。同図に示すように、銅粉末Ｂを用いた本発明品は、同じ比率の銅粉末Ａを用いた従来品よりも、通油度が大幅に下回っており（およそ１／１０程度）、例えば銅３０％の本発明品は、銅６０％の従来品と同等の通油度を示している。また、図２に示す従来品の銅の比率と油膜形成率との関係を見ると、従来品では、銅の比率が５０％より小さくなるにつれて油膜形成率が１００％から徐々に悪化している。一方、図３に示す本発明品の銅の比率と油膜形成率の関係を見ると、本発明品では、銅の比率が低い場合（例えば２０％）でも、油膜形成率はほぼ１００％を示している。このことから、銅粉末Ｂを用いることで、銅の比率を低くして、すなわち鉄の比率を高くして耐摩耗性を高めた場合でも、通油度を低くして油膜形成率を高めることが可能であることが明らかと成った。
【００１４】
また、図４に、銅の比率が３０％の焼結軸受における焼結密度と通油度との関係を示す。同図に示すように、銅粉末Ｂを用いた本発明品（図中に丸で示す）は、銅粉末Ａを用いた同じ焼結密度の従来品（図中に三角で示す）よりも、通油度が大幅に下回っている（およそ１／１０程度）。このことから、銅粉末Ｂを用いることで、焼結密度を高めることなく、すなわち、含油率を確保しながら、通油度を低くすることが可能であることが明らかとなった。
【００１５】
以上の結果から、銅粉末Ｂを用いることで、すなわち、銅粉末を微細化することで、通油度を低下させて油膜形成率を高めることが可能であることが明らかとなった。従って、鉄の比率を高くして耐摩耗性を高めて耐摩耗性を高めると共に、微細な銅粉末を用いて通油度を低くすることで、高耐摩耗性と低通油度とを同時に満たすことが容易化され、設計の自由度が大幅に広がる。焼結軸受では、例えば、銅の比率４０％以下（すなわち鉄の比率６０％以上）、通油度１．００ｇ／１０ｍｉｎ以下とすることが求められるが、微細な銅粉末を用いることで、このような要求を満たす設計が容易化される。例えば図４に示す例では、銅粉末Ａを用いた従来品（三角印）で焼結密度を６．８ｇ／ｃｍ3とした場合、焼結温度８７０℃では通油度１．００ｇ／１０ｍｉｎを満たすことができるが、焼結温度９５０℃では上記の通油度を満たすことはできないため、焼結温度が８７０℃程度に制限される。一方、銅粉末Ｂを用いた本発明品（丸印）で焼結密度を６．８ｇ／ｃｍ3とした場合、焼結温度が８７０℃及び９５０℃の何れであっても、上記の通油度を満たすことができるため、従来品と比べて焼結温度の制限が緩和される。
【００１６】
すなわち、前記課題を解決するためになされた本発明の焼結軸受は、各粒子が互いに接合されていない銅系粉末及び鉄系粉末を含む混合金属粉末を圧縮成形した圧粉体を焼結して得られる銅鉄系の焼結金属からなり、内周面にラジアル軸受面が形成され、該ラジアル軸受面に鉄系粉末が露出し、銅系粉末として、直径４５μｍ以下の粒子を重量比で８０％以上含むものを用い、鉄の比率を重量比で６０％以上とし、通油度を１．００ｇ／１０ｍｉｎ以下としたものである。
【００１７】
尚、「銅系粉末」とは、銅を主成分とする金属粉末のことを言い、純銅粉末のほか、銅を主成分とした合金粉末を含む。同様に、「鉄系粉末」とは、鉄を主成分とする金属粉末のことを言い、純鉄粉末のほか、鉄を主成分とした合金粉末を含む。
【００１８】
通油度は、図５に示す通油度試験装置１００を用いて測定される。この通油度試験装置は、円筒状の試料Ｗ（焼結軸受）を軸方向両側から挟持固定する保持部１０１，１０２と、油を貯留するタンク１０３とを備える。試料Ｗの軸方向両端部と保持部１０１，１０２との間は、図示しないゴムワッシャでシールされている。タンク１０３の内部に貯留された油（ジエステル油系潤滑油）は、配管１０４、及び保持部１０１内の連通路１０５を介して、試料Ｗの内周の空間に供給される。室温（２６〜２７℃）環境下で、タンク１０３を０．４ＭＰａでエア加圧し、試料Ｗの内径側から外径側に１０分間通油させる。このとき、試料Ｗの該表面から滲み出して滴下した油を、試料Ｗの下方に配した布（あるいは紙）１０６に染み込ませて採取する。そして、試験前後における布１０６の重量差から、通油度を算出する。
【００１９】
上記の焼結軸受では、通油度を低く抑えるために焼結密度を高める必要がないため、例えば焼結密度を６．９ｇ／ｃｍ3以下とすることができる。この場合、含油率を１０％以上確保することができる。一方、焼結密度が低すぎると通油度が高くなり、圧力抜けが発生するため、焼結密度は６．５ｇ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。尚、「含油率」とは、含浸した焼結金属に含まれる油量を容積百分率で表し、油を含浸していない焼結軸受の重量をＷ１、内部気孔に油を可能な限り含浸させた焼結軸受の重量をＷ２、焼結金属の体積をＷ３、含浸油密度ρとしたとき、（Ｗ２−Ｗ１）／(Ｗ３×ρ)×１００で表される（ＪＩＳ  Ｚ２５０１）。
【００２０】
ところで、焼結温度を高くし、銅の融点（１０８３℃）に近づけると、銅が溶け出して銅と鉄との合金化が進み、焼結軸受の耐摩耗性が飛躍的に向上する。一方、合金化が進むことで、銅が存在していた箇所が空洞となるため、通油度が高くなり油膜形成率が低下する。このような場合でも、上記のような微細化した銅系粉末を用いることで通油度を低下させることができる。従って、焼結温度を高くして耐摩耗性のさらなる向上を図った場合でも、通油度を抑えて油膜形成率を確保することができる。但し、銅系粉末が完全に溶けてしまうと通油度が高くなりすぎるため、焼結温度は、銅の融点以下に設定することが好ましく、特に、８５０〜１０００℃の範囲とすることが好ましい。
【００２１】
例えば、ラジアル軸受面に、動圧溝等のラジアル動圧発生部が形成された焼結軸受では、ラジアル動圧発生部で油膜の圧力が積極的に高められ、この動圧作用で回転軸が支持される。この場合、焼結軸受の通油度が高いと、圧力が高められた潤滑油が軸受内部に逃げて動圧作用が損なわれる。従って、上記のような微細化した銅系粉末を用いて通油度を低くすることが好ましい。さらに、端面にスラスト軸受面を設け、このスラスト軸受面にスラスト動圧発生部を形成した場合も同様である。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明に係る焼結軸受によれば、微細化した銅系粉末を使用することで通油度を低減できるため、高耐摩耗性と低通油度との両立が容易化され、設計の自由度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】焼結軸受の銅の比率と通油度との関係を示すグラフである。
【図２】従来品に係る焼結軸受の銅の比率と油膜形成率との関係を示すグラフである。
【図３】本発明品に係る焼結軸受の銅の比率と油膜形成率との関係を示すグラフである。
【図４】焼結軸受の焼結密度と通油度との関係を示すグラフである。
【図５】通油度試験装置を概念的に示す側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る焼結軸受が組み込まれたモータの断面図である。
【図７】図６のモータに組み込まれた流体動圧軸受装置である。
【図８】本発明の実施形態に係る焼結軸受の断面図である。
【図９】図８の焼結軸受の下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図６に示すスピンドルモータは、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられ、軸部材２を回転自在に非接触支持する流体動圧軸受装置１と、軸部材２に装着されたディスクハブ３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル４およびロータマグネット５とを備える。ステータコイル４はモータブラケット６の外周に取付けられ、ロータマグネット５は、ディスクハブ３の内周に取付けられる。ディスクハブ３は、その外周に磁気ディスクＤを一枚または複数枚（図６では２枚）保持する。このように構成されたスピンドルモータにおいて、ステータコイル４に通電するとロータマグネット５が回転し、これに伴ってディスクハブ３およびディスクハブ３に保持されたディスクＤが軸部材２と一体に回転する。
【００２６】
流体動圧軸受装置１は、図７に示すように、軸部材２と、有底筒状のハウジング７と、本発明の一実施形態に係る焼結軸受８と、シール部材９とを主な構成要素として構成されている。なお、以下の説明では、説明の便宜上、軸方向でハウジング７の閉塞側を下側、開口側を上側とする。
【００２７】
軸部材２は、例えばステンレス鋼等の金属材料で形成され、軸部２ａと、軸部２ａの下端に設けられたフランジ部２ｂとを備えている。軸部２ａは、円筒状の外周面２ａ１と、上方へ向けて漸次縮径したテーパ面２ａ２とを有する。軸部２ａの外周面２ａ１は焼結軸受８の内周に配され、テーパ面２ａ２はシール部材９の内周に配される。
【００２８】
焼結軸受８は、銅及び鉄を主成分とした銅鉄系の焼結金属からなり、銅系粉末と鉄系粉末とを含む混合金属粉末を圧縮成形した後、この圧縮成形体を焼結して得られる。焼結軸受８における銅及び鉄の比率は、重量比で銅４０％以下、鉄６０％以上とされ、本実施形態では、銅３０％、鉄７０％とされる。焼結軸受８に使用される銅系粉末は、直径４５μｍ以下の粒子を８０％以上含むものが用いられ、例えば、上記表１の銅粉末Ｂが用いられる。焼結密度は６．９ｇ／ｃｍ3以下とされ、例えば６．８ｇ／ｃｍ3とされる。焼結温度は、銅の融点以下、好ましくは８５０℃〜１０００℃の範囲に設定され、例えば９５０℃とされる。通油度は１．００ｇ／１０ｍｉｎ以下であり、具体的には、およそ０．２ｇ／１０ｍｉｎである（図４参照）。
【００２９】
上記のように鉄を多く含むことで、焼結軸受８の耐摩耗性が高められる。また、上記のように通油度を低くすることで、ラジアル軸受隙間で圧力を高められた潤滑油が焼結軸受８の内部に抜けにくくなるため、支持力が高められる。また、上記のように微細な銅系粉末を用いることで、焼結密度を高めることなく通油度を下げることができるため、焼結密度を上記のように６．９ｇ／ｃｍ3以下とすることができ、これにより含油率１０％以上を確保することができる。また、上記のように微細な銅系粉末を用いて通油度を下げることで、上記のように比較的高温で焼結することができるため、銅と鉄との合金化が進み、耐摩耗性がさらに高められる。
【００３０】
上記のような微細な銅系粉末は、例えば様々な粒径の銅粉を篩い分けることで得られ、あるいは、廃棄された回路基板から溶出させた銅を用いて形成することができる。後者のようなリサイクル銅粉は、微細な粒子を多く含むため、上記のような微細な銅系粉末を簡単に得ることができる。
【００３１】
また、銅は鉄と比べてはるかに高価であるため、上記のように銅の比率を低くして鉄の比率を高くすることで、低コスト化が図られる。また、上記のようなリサイクル銅粉を用いれば、さらなる低コスト化が図られると共に、環境への負担を軽減することができる。
【００３２】
焼結軸受８は略円筒状を成し、内周面８ａはラジアル軸受面として機能する。焼結軸受８の内周面８ａには、ラジアル軸受隙間の潤滑油に動圧作用を発生させるためのラジアル動圧発生部が形成される。本実施形態では、図８に示すように、焼結軸受８の内周面８ａの軸方向に離隔した２箇所に、ラジアル動圧発生部としてヘリングボーン形状の動圧溝８ａ１，８ａ２が形成される。上側の動圧溝領域では、動圧溝８ａ１が軸方向非対称形状に形成され、具体的には、丘部の軸方向略中央部に形成された帯状部分に対して、上側の溝の軸方向寸法Ｘ１が下側の溝の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている（Ｘ１＞Ｘ２）。下側の動圧溝領域では、動圧溝８ａ２が軸方向対称形状に形成される。以上に述べた上下動圧溝領域でのポンピング能力のアンバランスにより、軸部材２の回転中は、焼結軸受８の内周面８ａと軸部２ａの外周面との間に満たされた油が下方に押し込まれるようになる。
【００３３】
焼結軸受８の下側端面８ｃはスラスト軸受面として機能する。焼結軸受８の下側端面８ｃには、スラスト軸受隙間の油膜に動圧作用を発生させるためのスラスト動圧発生部が形成される。本実施形態では、図９に示すように、焼結軸受８の下側端面８ｃにスラスト動圧発生部としてスパイラル形状の動圧溝８ｃ１が形成される。焼結軸受８の外周面８ｄには、円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に軸方向溝８ｄ１が形成される。焼結軸受８の外周面８ｄとハウジング７の内周面７ｃとを固定した状態で、軸方向溝８ｄ１は油の連通路として機能し、この連通路により軸受内部の圧力バランスを適正範囲内に保つことができる。
【００３４】
ハウジング７は、内周に焼結軸受８が保持された筒状の側部７ａと、側部７ａの下端を閉塞する底部７ｂとを一体に有する。ハウジング７の底部７ｂの上側端面７ｂ１には、スラスト軸受隙間の油膜に動圧作用を発生させるためのスラスト動圧発生部として、例えばスパイラル形状の動圧溝が形成される（図示省略）。
【００３５】
シール部材９は、例えば樹脂材料や金属材料で環状に形成され、ハウジング７の側部７ａの上端部内周に配設される。シール部材９の内周面９ａは、軸部２ａの外周に設けられたテーパ面２ａ２と径方向に対向し、これらの間に下方へ向けて径方向寸法を漸次縮小したシール空間Ｓが形成される。このシール空間Ｓの毛細管力により、潤滑油が軸受内部側に引き込まれ、油の漏れ出しが防止される。本実施形態では、軸部２ａ側にテーパ面２ａ２を形成しているため、シール空間Ｓは遠心力シールとしても機能する。シール部材９で密封されたハウジング７の内部空間に充満した潤滑油の油面は、シール空間Ｓの範囲内に維持される。すなわち、シール空間Ｓは、潤滑油の体積変化を吸収できる容積を有する。
【００３６】
上記構成の流体動圧軸受装置１において、軸部材２が回転すると、焼結軸受８の内周面８ａ（ラジアル軸受面）と軸部２ａの外周面２ａ１との間にラジアル軸受隙間が形成される。このラジアル軸受隙間に生じた油膜の圧力が、焼結軸受８の内周面８ａに形成された動圧溝８ａ１，８ａ２により高められ、この動圧作用により軸部２ａを回転自在に非接触支持する第１ラジアル軸受部Ｒ１および第２ラジアル軸受部Ｒ２が構成される。
【００３７】
これと同時に、フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１と焼結軸受８の下側端面８ｃ（スラスト軸受面）との間のスラスト軸受隙間、およびフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２とハウジング７の底部７ｂの上側端面７ｂ１との間のスラスト軸受隙間に油膜が形成され、動圧溝の動圧作用により油膜の圧力が高められる。この動圧作用により、フランジ部２ｂを両スラスト方向に回転自在に非接触支持する第１スラスト軸受部Ｔ１および第２スラスト軸受部Ｔ２とが構成される。
【００３８】
本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、以上の実施形態では、ラジアル動圧発生部として、ヘリングボーン形状の動圧溝が例示されているが、これに限らず、例えば、いわゆるステップ軸受や波型軸受、あるいは多円弧軸受を採用することもできる。また、焼結軸受８の内周面８ａ及び軸部材２の外周面２ａ１の双方を円筒面とし、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、動圧発生部を有しない、いわゆる真円軸受を採用することもできる。
【００３９】
また、以上の実施形態では、スラスト動圧発生部として、スパイラル形状の動圧溝が例示されているが、これに限らず、例えばステップ軸受や波型軸受を採用することもできる。あるいは、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２として、軸部材の端部を接触支持するピボット軸受を採用することもできる。この場合、焼結軸受８の下側端面８ｃはスラスト軸受面として機能しない。
【００４０】
また、以上の実施形態では、ラジアル動圧発生部及びスラスト動圧発生部がそれぞれ焼結軸受８の内周面８ａ、下側端面８ｃ、及びハウジング７の内底面７ｂ１に形成されているが、これらの面と軸受隙間を介して対向する面、すなわち軸部２ａの外周面２ａ１、フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１及び下側端面２ｂ２に形成してもよい。
【００４１】
また、本発明の動圧軸受装置は、上記のようにＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるスピンドルモータに限らず、光ディスクの光磁気ディスク駆動用のスピンドルモータ等、高速回転下で使用される情報機器用の小型モータ、レーザビームプリンタのポリゴンスキャナモータ等における回転軸支持用、あるいは電気機器の冷却用のファンモータとしても好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１     流体動圧軸受装置
２     軸部材
３     ディスクハブ
４     ステータコイル
５     ロータマグネット
６     モータブラケット
７     ハウジング
８     焼結軸受
８ａ   内周面（ラジアル軸受面）
８ａ１，８ａ２       動圧溝（ラジアル動圧発生部）
８ｃ   下側端面（スラスト軸受面）
８ｃ１ 動圧溝（スラスト動圧発生部）
９     シール部材
Ｄ     ディスク
Ｒ１，Ｒ２    ラジアル軸受部
Ｔ１，Ｔ２    スラスト軸受部
Ｓ     シール空間
【図１】
0005619550.tif 000003
【図２】
0005619550.tif 000004
【図３】
0005619550.tif 000005
【図４】
0005619550.tif 000006
【図５】
0005619550.tif 000007
【図６】
0005619550.tif 000008
【図７】
0005619550.tif 000009
【図８】
0005619550.tif 000010
【図９】
0005619550.tif 000011